??近半個世紀以來，以集成半導(dǎo)體為代表的有源器件和以各類功能陶瓷材料為基礎(chǔ)的有源與無源器件深刻地改變了人類社會。作為廣泛存在的分布式智能傳感、換能與供能、以及微納米精密驅(qū)動的基礎(chǔ)材料，壓電陶瓷材料及其應(yīng)用技術(shù)在民用和國防領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。然而由于受限于本征的6mm點群對稱性，天然壓電陶瓷的壓電應(yīng)變矩陣（描述壓電材料將電場轉(zhuǎn)化為應(yīng)變輸出的能力；三階張量；具有18個矩陣元，即壓電應(yīng)變系數(shù)dij）中只有5個非零的矩陣元。多年以來，幾乎所有的研究工作都聚焦在如何合成新材料和如何提高5個已有的壓電系數(shù)；盡管已有學(xué)者開始意識到個別非零的壓電系數(shù)矩陣元的存在，但一直缺乏一個系統(tǒng)的理論研究。因此，在壓電學(xué)基礎(chǔ)領(lǐng)域，每一次重要的進展都舉步維艱，這限制了壓電器件的設(shè)計和進一步的發(fā)展空間。

近日，《科學(xué)》子刊Science Advances以研究長文-物理科學(xué)（Research Article-Physical Sciences）的形式報道了北京大學(xué)董蜀湘課題組在這一領(lǐng)域獨辟蹊徑的研究探索和取得的重要進展。論文題目為：Designing electromechanical metamaterial with full nonzero piezoelectric coefficients（DOI: 10.1126/sciadv.aax1782），原文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/5/11/eaax1782 。

不同于傳統(tǒng)上通過摻雜改性化學(xué)方法提高壓電性能，該研究工作受凝聚態(tài)物理學(xué)中對稱性原則的啟發(fā)，將超材料有序功能基元設(shè)計思想引入壓電陶瓷設(shè)計，通過精巧的拓撲和幾何設(shè)計得到的新型機電耦合超材料從表觀上打破了壓電陶瓷本征的對稱性，首次實現(xiàn)全部非零的18個壓電應(yīng)變系數(shù)單元，而且部分單元表觀壓電系數(shù)測量值比自然壓電系數(shù)高出一個數(shù)量級以上，打破了傳統(tǒng)上70多年來壓電陶瓷材料只有五個非零壓電系數(shù)dij的認知，給壓電器件未來發(fā)展帶來全新設(shè)計思路。該工作被審稿人評價為“Will have a significant impact on various piezoelectric technologies (將對各種壓電技術(shù)產(chǎn)生重要影響)”。對稱性破缺是很多物理現(xiàn)象的背后機制（如超導(dǎo)、反鐵磁性），但是從微觀上構(gòu)筑新型可控的破缺對稱性十分艱難，該工作通過宏觀基元設(shè)計打破表觀對稱性，實現(xiàn)超常物理參數(shù)及性能強化的思路對于創(chuàng)造新型多場耦合超材料具有很好的啟發(fā)意義。

該論文的第一作者是北京大學(xué)工學(xué)院2016級博士生楊繼昆，董蜀湘教授是論文唯一通訊作者。清華大學(xué)王曉慧教授、周濟院士參與了本課題的研究；清華大學(xué)李龍土院士對本課題給予了支持。這項研究獲得國家自然科學(xué)基金委（51772005，51132001）資助、磁電功能材料與器件北京市重點實驗室的支持。